Наука и технологии России

Вход Регистрация

Нобелевка за общение клеток

Сегодня, 7 октября, в Каролинском институте состоялась церемония объявления лауреатов Нобелевской премии по физиологии или медицине. На сей раз ими стали Джеймс Ротман из Йельского университета, Ренди Шекман из Калифорнийского университета в Беркли и Томас Зюдоф из Стэнфордского университета. Они получили высшую награду научного мира за свои открытия в области клеточного везикулярного транспорта – главной транспортной системы клеток.

Джеймс_Ротман
Джеймс Ротман

Ренди_Шекман
Ренди Шекман

Томас_Зюдоф
Томас Зюдоф

За что дали Нобеля

Попробуем объяснить популярно, в чём заключается одно из главных медицинских открытий последних лет по версии Нобелевского комитета. Ключевое свойство живой клетки – обмен веществами между отдельными функциональными частями (органоидами) внутри самой себя и с окружающими клетками. Этот обмен осуществляется за счёт перемещения (транспорта) нужных молекул. Однако в такой сложной системе, как клетка, сосуществуют тысячи различных молекул, и то, как именно нужные вещества попадают в требуемую точку той же клетки, ткани или организма, не было известно до работ Шекмана, Ротмана и Зюдофа. Любая клетка ограничена мембраной, отделяющей первую от соседей, однако и внутри самой клетки подобные мембраны тоже присутствуют, обеспечивая то, что называют компартментализацией («делением на отсеки») клетки. Молекулярный состав каждого компартмента отличается от других, и за счёт такого отличия внутри живой системы устанавливается нужный баланс веществ. При этом некоторые продукты жизнедеятельности клетки должны быть «переданы» от одного органоида другому или «отправлены на экспорт» наружу клетки. Вещества, которые нужно передать при этом, отправляются в путь всё так же заключёнными в контейнеры из мембран – везикулы. Бывает, впрочем, и так, что вещество передвигается по клетке или через её оболочку без участия везикул, но, как правило, такие вещества очень малы: это молекулы простых углеводов, например глюкозы, или заряженные частицы – ионы, часто состоящие только из одного атома. Подавляющее большинство соединений, среди которых сигнальные молекулы, белки-ферменты и нуклеиновые кислоты, слишком велики, чтобы перемещаться «куда требуется» самостоятельно; для их транспорта как раз и требуются везикулы. К тому же, например, некоторые ферменты, разрушающие другие молекулы (например, пищеварительные ферменты), могут быть совершенно излишними и даже опасными в одних частях клетки, но необходимыми в других. Проблема их изолирования тоже решается с помощью везикул.

Связь с Россией?

Несмотря на то, что с теорией везикулярного транспорта сейчас знакомы многие, не так много исследователей в России занимаются этой темой на практике. Комментарий по поводу открытий нынешних лауреатов по физиологии согласился дать Михаил Олегович Агафонов, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики Института биохимии им. Н.С. Баха:

«Везикулярный транспорт – это базовый клеточный механизм, вопрос секреции клетками белков. И, например, биологически активные белки крови, разносимые по всему организму – один из примеров молекул, которые переносятся таким транспортом. Соответственно, понимание механизмов секреции очень важно, вообще, и с точки зрения того, как клетки функционируют, и с точки зрения того, как на этот процесс можно влиять, если говорить о медицине и клеточной инженерии».

Примечательно, что один из нобелиатов – Томас Зюдоф – непосредственно связан с российской наукой, в этом году он стал членом Консультативного совета Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН. В Россию его пригласил Александр Петренко, заведующий лабораторией клеточных рецепторов ИБХ РАН, который, кстати, в начале 90-х работал в одной команде с г-ном Зюдофом. Вот что рассказал Александр Петренко о работах нобелевских лауреатов в интервью STRF.ru:

– Смысл и важность того, что сделали эти три новых Нобелевских лауреата (Джеймс Ротман, Ренди Шекман и Томас Зюдоф), состоит в следующем: они выявили фундаментальные кирпичики той сложной системы, которая осуществляет слияние мембран и регулирует направленность и в целом эффективность этого слияния. Так, чтобы оно происходило ни где угодно, а только в некоем конкретном месте. В своих исследованиях они независимо друг от друга сформулировали новую концепцию жизнедеятельности клеток (по-английски это называется snare), и получение Нобелевской премии свидетельствует о том, что научная общественность её приняла. Сейчас это уже новая теория, предлагающая новое понимание системы передачи сигналов в мозгу. Это чрезвычайно сложная наука, в эту систему вовлечён не один белок, не один фермент, не один рецептор, не одна молекула. Это целый комплекс компонентов. И над его реконструкцией бились сотни людей. Несомненно, эти три человека – безусловные лидеры в данном направлении.

Какова ценность этого открытия, если смотреть на него с позиции обычных пациентов, на благо которых, в общем-то, и направлены все исследования в области физиологии и медицины?

Моя личная точка зрения, которая, может, и не вполне правильная, такова: на сегодня это имеет больше фундаментальную ценность, нежели прикладную. Идентифицированные теперь уже нобелевскими лауреатами белки, несомненно, служат потенциальными мишенями лекарств. Но пока, насколько я знаю, таких лекарств в аптеке нет, они ещё только в разработке. Их внедрение в практическую медицину – наверное, вопрос даже не завтрашнего, а послезавтрашнего дня. То есть напрямую это открытие не связано с конкретными заболеваниями. Мы узнали очень многое из этих исследований, но мы всё равно не можем лечить болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные заболевания, потому что там вовлечены другие механизмы и другие ключевые белки. А что касается вот этого фундаментального процесса секреции (а особенно нейросекреции, что позволяет мозгу правильно работать, обрабатывать и передавать сигналы) – вот здесь, я считаю, что это уникальные работы. И они абсолютно заслуженно получили Нобелевскую премию.

Какие у вас воспоминания о знакомстве и совместной работе с Томасом Зюдофом?

С Томасом я познакомился очень давно, на конференции в Португалии. Я был тогда руководителем группы в Институте биоорганической химии, в лаборатории Юрия Анатольевича Овчинникова, а Томас тогда только что закончил свою стажировку, пост-док у Джозефа Гольштейна и Карла Брауна, это два других нобелевских лауреата. И эти люди помогли ему получить место с хорошим финансированием в Институте Говарда Хьюза. Мы с ним независимо друг от друга вели исследования в одной области. И вот на конференции он обратил внимание на мою работу, а я на его, хотя я уже знал его по публикациям. И он предложил мне сотрудничество. Я ездил к нему лабораторию, в 1989 году у нас вышла совместная статья в Nature, а через год, когда в России совсем невозможно стало заниматься наукой, он пригласил меня в свою команду. Три года мы работали вместе, и я с большим теплом вспоминаю об этом периоде. Тогда много хорошего удалось сделать.

Какие чисто человеческие качества вы в нём отметили?

Ну, он фанат. Хороший такой фанат. Человек, для которого, поверьте, реально ничего не существует. Если бы вы видели, на какой машине он ездил! На каком-то разбитом «бьюике», 1965-го, что ли, года выпуска. Том гордо говорил, что купил его за пятьсот долларов, и тот до сих пор ещё ездит! По национальности он немец, но ни о каких Мерседесах не помышлял, наши бы пижоны с него пример брали! А когда его спрашивали: почему ты всё возишься с этой рухлядью и ничего поприличнее себе не купишь, он отвечал, что это не самая лучшая инвестиция – покупать машины, что это выброшенные на ветер деньги. У него много детей – 4 от первого брака и 2 от второго брака: это из тех, о которых я знаю. Дома у него не было телевизора. Хотя человек он абсолютно практичный, здравомыслящий, неплохо разбирается в политике. Мы с ним много разговаривали о том, как отличаются политические системы в Европе и Америке, и всё в таком духе. Очень он жёсткий, требовательный человек, нельзя его назвать «душкой», и как все немцы, очень педантичен.

Есть ли в России учёные, которые занимаются на очень хорошем уровне визикулярным транспортом?

Во всём мире этих людей можно перечесть по пальцам. Я имею в виду очень сильных учёных, которые получили серьёзные, ключевые результаты. Эта тематика ещё в 80-е годы начала развиваться в Европе, в Германии, у её истоков стояли еще несколько исследователей, но о механизмах секреции тогда ничего не знали. А в 1995 году уже были опубликованы ключевые статьи Зюдофа, Ротмана и Шекмана. Буквально взрыв произошёл в данной области, и очень быстрый. А у нас вы представляете, что было? Ну что это такое – 1989–1990 годы? Полная разруха. ИБХ тогда потерял нашего директора, Овчинникова, который позволял, по крайней мере, хоть нескольким институтам в стране в биологической области стабильно развиваться. Мы как-то мимо этой области прошли. К зарождению этой области был близок наш физиолог Борис Израилевич Ходоров, но это было совсем давно, лет 30–40 назад.

Сегодня, когда узнали о том, кто получит Нобелевскую премию по физиологии, не пожалели о том, что уехали из лаборатории г-на Зюдофа?

Нельзя всю жизнь на кого-то работать. В американской лаборатории я проводил исследования, начатые ещё в Москве, которые надо было закончить. А потом мне естественным образом захотелось иметь свою собственную лабораторию и делать то, что я считаю нужным. Мы и после, когда я вернулся из Нью-Йорка в Москву, продолжали сотрудничать с Томом, даже грант совместный выиграли. Я доволен тем, как у меня всё сложилось. Это нормальное развитие научной карьеры, когда стремишься создать свою сильную лабораторию, работать в своей тематике.

Три пути лауреатов

Ренди Шекман исследовал генетические закономерности везикулярного транспорта, начиная с 1970-х годов на дрожжах, широко применяемом модельном объекте. Он сравнивал передачу веществ у нормальных клеток этого гриба и тех, которые имели определённые генетические отклонения. В ходе этих исследований он определил 50 генов, ответственных за правильный перенос везикул, их прикрепление к наружной мембране клетки и последующий выброс этих веществ из клетки, и порядок участия белков, кодируемых этими генами, в этих процессах. Другое направление его исследований – выявление генов, регулирующих перенос молекул в мембранных пузырьках внутри клетки, от органоида, в котором изначально образуется ряд веществ (эндоплазматическая сеть), к органоиду, в котором эти вещества проходят биохимическую «доработку» (аппарат Гольджи). Также в работах Шекмана рассматриваются вопросы того, какую роль нарушения везикулярного транспорта играют в болезнях человека, таких как болезнь Альцгеймера и ряда редких заболеваний.

Личность Шекмана упоминается многими комментаторами, оценивающими его как выдающегося первопроходца: «Шекман, конечно, великий человек. Он фактически создал инструмент для изучения процесса транспорта везикул. Его исследования стали скачком по методологии. Несмотря на то, что он работал на дрожжах, на основе его работы везикулярный транспорт был изучен и в клетках других эукариотических организмов – у млекопитающих, человека. Это было очень важно. И несомненно, что это заслуженная награда».

Джеймс Ротман начинал работу над уточнением механизмов везикулярного транспорта на млекопитающих. Он расшифровал механизм слияния мембраны везикулы и наружной мембраны клетки, показав, что для успешного соединения этих двух участников транспорта необходимо сцепление определённого класса белков – fusion proteins. Одни из них расположены на поверхности везикулы, другие – на поверхности клеточной мембраны. При слиянии мембран происходит связывание первого типа белков со вторым, и формируется структура, по сути своей напоминающая застёжку-молнию (zipper). Точность образования такого комплекса белков – «молнии» – и определяет время выброса тех или иных веществ из везикулы, позволяя молекулам попадать туда, куда нужно, именно тогда, когда это нужно.

Томас Зюдоф специализируется на клетках нервной системы, для которых транспорт веществ в мембранных пузырьках особенно важен: за счёт него происходит передача практически всех нейрональных сигналов, которыми в конечном счёте обеспечиваются движения, контроль над работой внутренних органов, мышление и память. На тот момент, когда Зюдоф начинал свои исследования везикулярного транспорта в нейронах, учёным было известно лишь то, что в слиянии мембран клетки и везикулы каким-то образом участвует кальций, но то, как именно он влияет на процесс слияния, не было очевидным. Сегодняшний нобелевский лауреат открыл, что для слияния вышеупомянутых мембран необходимо, чтобы ионы кальция, находящиеся внутри клетки рядом с местом слияния двух мембран (в синаптической терминали), связались с определённым белком на поверхности везикулы. До тех пор, пока эта связь присутствует, вещества способны выделяться из везикулы в пространство между нервными клетками – синаптическую щель. Время, когда эта связь существует, и определяет продолжительность передачи нервного сигнала, а от продолжительности зависит и количество выброшенных из везикулы молекул переносчиков сигналов, и сила этих сигналов. Позднее выяснилось, что подобный принцип действует не только в нейронах, но и практически в любых клетках.

Нобелевский комитет отмечает, что двое из нынешних лауреатов, Ротман и Шекман, некоторое время проводили совместные исследования. Хотя премия присуждена скорее в области физиологии, чем медицины, открытие, ею отмеченное, уже имеет некоторые практические применения в диагностике ряда заболеваний. Например, известно, что выброс инсулина, недостаточный в случае диабета, также регулируется ионами кальция, а ряд симптомов ботулизма возникает из-за нарушения передачи сигналов между нервными клетками и мышцами вызываемого ядом бактерии Clostridium botulinum, ботулиновым токсином.

РЕЙТИНГ

4.80
голосов: 10

Галереи

Лекция Питера Эгра в МГУ

24 июня 2013 года в большом лекционном зале Главного здания МГУ при полном аншлаге состоялась лекция нобелевского лауреата 2003 года по химии, доктора медицины Питера Эгра (США) на тему «От атомных структур к клинической медицине». Мероприятие было организовано в рамках программы комитета Nobel Media «Вдохновляясь достижениями нобелевских лауреатов» в сотрудничестве с компанией AstraZeneca и Всероссийским фестивалем науки.

33 фото

Обсуждение